[發明專利]水力造穴、冷凍致裂和注熱激勵協同增透促抽方法

在審

• 申請號: 202011224399.3
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112412420A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 袁軍偉;蔣曉改;李懷珍;支光輝;許彥鵬;岳高偉;夏靜怡;王遙;陳立偉;安豐華
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: E21B43/26
• 分類號: E21B43/26;E21B43/00;E21B7/18;E21B33/13;E21B33/138;E21B36/00
• 代理公司: 鄭州豫開專利代理事務所(普通合伙) 41131
• 代理人: 朱俊峰

水力造穴、冷凍致裂和注熱激勵協同增透促抽方法，包括以下步驟：在工作面順槽操施工順槽鉆孔，任意相鄰兩個鉆孔分別命名為措施孔和抽采孔，相鄰兩個鉆孔分別命名為措施孔和抽采孔；對鉆孔安裝抽采管進行封孔，抽采孔連接抽采系統；措施孔內高壓注水；使用專用封孔器對措施孔內的抽采管進行封孔；向措施孔內注液氮冷凍煤體，在地溫作用下液氮緩慢升華為氮氣，氮氣可對煤體內的瓦斯進行有效置換和驅替；高溫、高壓的氮氣對煤體進行高壓注熱；最后措施孔內的抽采管連接抽采系統。本發明封孔嚴實，可廣泛應用于石門揭煤、過斷層、采掘工作面增透促抽等工作，通過冷凍、注熱相結合的施工方式大大提高了增透促抽效果，應用前景廣闊。

技術領域

本發明屬于煤礦安全生產技術領域，具體涉及水力造穴、冷凍致裂和注熱激勵協同增透促抽方法。

背景技術

我國大部分煤層具有“三低一高”（低滲透性、低飽和度、低儲層壓力，高變質程度）的特征。煤層的低滲透性導致瓦斯抽采困難，造成礦井“抽-掘-采”失調，形成重大安全生產隱患，為煤礦瓦斯事故的發生埋下隱患。因此，國內外學者研究提出了水力沖孔、保護層開采、CO₂相變致裂等煤層增透促抽技術措施。但由于種種原因所限，從技術和經濟角度衡量，目前所常用的各種技術措施增透效果尚需進一步提升。

冷凍致裂現象在大自然中廣泛存在，譬如冷凍導致建筑物損傷破壞、冷凍后的泥土更酥松等現象都很常見。受這些現象的啟發，學者在對凍土層基建工程設計方面進行了大量研究，取得了一些有益的研究成果。后來在油氣開采過程中，技術人員將這種技術應用于油氣開采領域，用于增加油氣層的滲透性，達到增產增效的目的，取得了良好的效果。

煤炭作為一種特殊的軟巖，采用超低溫冷凍的方法同樣可以實現致裂煤體、增加煤體孔-裂隙、提升煤層滲透性的目的；因此，在冷凍致裂的基礎上，配合瓦斯抽采措施，可有效提升煤層瓦斯抽采效果，對于解決礦井“抽-掘-采”失調問題大有裨益，是一種較為先進的煤層增透促抽措施，國內外學者對相關內容已開展有益的探索。

基于氮氣穩定的惰性氣體特性，在冷凍致裂技術現場應用過程中，一般是將液氮注入煤體，一方面這些超低溫液氮通過煤體注水后水體液固相變引起的巨大凍脹力，對煤體起到冷凍致裂、增透促抽的作用，另一方面這些超低溫液氮升溫氣化相變為氣態后，在措施孔周圍形成巨大的氮氣分壓區域（高壓區），而鄰近的抽采孔周圍具有較低的氣體壓力（低壓區域），在措施孔和抽采孔間形成巨大的壓差，使得氮氣對煤體內瓦斯起到氣體驅替及置換的作用，進一步強化瓦斯抽采效果。

煤體瓦斯解吸速度、抽采效果與煤體溫度密切相關。相關研究結果表明，煤體溫度升高1℃，煤體瓦斯解吸能力提升8%左右。因此，可以通過對煤體加熱的辦法，強化煤體瓦斯解吸，提升瓦斯抽采效果。但現有的煤體加熱技術多采用紅外、微波等非接觸式加熱方式，這些方法雖然可快速加熱煤體，但具有衰減速度快、耗能高、易損壞、設備無法重復利用等缺點，難以大范圍推廣應用；也有部分學者提出向煤層注入過熱水或水蒸汽的方法加熱煤體，雖可有效加熱煤體，但水蒸汽及熱水進入煤體后，會在煤體孔隙內形成“水鎖效應”，抑制了煤體瓦斯的解吸，反而降低了瓦斯抽采效果。此外，若向煤體內注入高溫介質具有氧化性，有可能造成鉆孔內煤體發火現象，從而帶來新的安全問題。因此，采取注熱強化促抽技術措施時，亟需尋求新的注熱方法、注熱介質和注熱途徑，以期加強注熱激勵作用，提升瓦斯抽采效果，有效緩解礦井“抽-掘-采”平衡問題，且可避免鉆孔發火。

氮氣具有良好的化學穩定性，是一種常見的惰性氣體，本身不燃燒也不助燃，且非常容易制備，造價很低。如果將氮氣加熱后通過鉆孔注入煤體，則可有效提高煤體溫度，可加強對煤體的住著激勵作用，強化瓦斯抽采效果；較高的氮氣氣體分壓，可對煤體瓦斯形成置換和驅替效應，進一步強化瓦斯抽采效果；而且氮氣的惰性特征，可以防止鉆孔發火，杜絕火災、瓦斯爆炸、煤塵爆炸等事故。因此，利用高溫氮氣作為介質進行煤層鉆孔注熱激勵強化促抽經濟可行。